2
Оглавление
I. Введение............................................................4
II. Глава 1 Обзор методов обработки сигналов антенных решеток.
Основные положения, определения, представления...................8
1.1. Антенные решетки. Описание, применение, методы анализа 8
1.2. Обоснование необходимости расширения понятия сигнал. Частотно-угловой спектр.........................................18
1.3. Шумовая составляющая в четырехмерном пространстве..........24
1.4. Основы теории статистических решений
(теория оптимального приема).................................26
1.5. Функция правдоподобия в четырехмерном пространстве.........29
1.6. Методика решения задачи оценки параметров сигнала..........31
1.7. Методика оценки дисперсии параметров сигнала...............34
1.8. Методика решения задачи выделения сигнала из шума..........37
1.9. Коррекция выражения для функции правдоподобия
в интегральном виде..........................................41
III. Глава 2 Разработка положений теории оптимального приема
в приложении к многоканальным антенным решеткам.................43
2.1. Оптимальный прием сигнала с помощью прямоугольной антенной решетки................................................43
2.2. Оптимальный прием сигнала с помощью прямоугольной антенной решетки с учетом временных срезов данных...............49
2.3. Оптимальный прием сигналов с помощью трехмерной антенной решетки................................................54
2.4. Влияние земной поверхности на прием сигналов
трехмерной антенной решетки..................................59
2.5. Антенные системы типа «Угол» и «Круг»......................64
2.6. Калибровка антенных решеток................................68
IV. Глава 3 Результаты молельных исследований при обработке
сигналов в угловой области.......................................72
3.1. Характеристики антенной системы по модельным данным 72
3.2. Зависимость дисперсий параметров расчета.
Модельный расчет.............................................78
3.3. Частотный диапазон квадратной антенной системы..............83
3.4. Анализ частотного диапазона при различных
конфигурациях антенной системы...............................88
3.5 Дисперсия параметров плоской волны при различных
конфигурациях антенной системы...............................95
3.6. Результаты модельных исследований антенной системы
с добавлением временных срезов системы......................104
3.7. Результаты модельных исследований трехмерной антенной решетки.........................................................109
3.8. Результаты модельных исследований антенной системы
«Круг-Z»....................................................118
3.9. Предварительные результаты экспериментальных
исследований на многоканальной антенной системе.............124
V. Заключение.........................................................138
VI. Список литературы.................................................142
VII. Приложение 1.....................................................155
4
I. Введение
С развитием радиоэлектроники появляются возможности создания антенных решеток, состоящих из большого количества элементарных вибраторов. Широко известны синфазные антенные решетки [5], [13], [14], которые позволяют получать узкие диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях. Известны линейные антенные решетки [5], [10], [20], фазовые соотношения на которых меняются линейно. В пеленгации ионосферных сигналов широко используются антенные решетки, элементарные вибраторы в которых располагаются по окружности различного радиуса [7], [12], [20]. Они с помощью фазирующей системы позволяют создавать однолепестковую вращающуюся диаграмму направленности в азимутальной плоскости. Также часто используются линейные антенные решетки типа «Квадрат», «Крест», «Угол». Это примеры аналоговой обработки пространственной информации, когда с помощью фазирующих элементов создаются диаграммы направленности антенных систем. Основой создания такого рода антенных решеток является фазирование, т.е. подстройка фазы сигналов отдельных вибраторов и их синфазное сложение с выделенного направления. Фактически аналоговым методом реализуется пространственное преобразование Фурье [38], [39], [41].
Дальнейшим развитием антенных решеток является раздельная, независимая обработка сигналов, принятых на каждом вибраторе. Это реализуется с помощью многоканальных приемников, входы которых подключаются к отдельным вибраторам, а выходные данные по промежуточной частоте в многоканальном АЦП преобразуются в цифровые отсчеты, которые затем поступают в ЭВМ. Такая схема создания антенных решеток является более сложной технически, однако она позволяет основную обработку сигналов перенести в ЭВМ. В качестве аналоговой обработки при этом будет выделение сигнала из шума, преобразование по частоте и усиление
5
сигнала в приемнике. Это набор операций, с которыми аналоговая техника на высоких частотах справляется лучше, чем цифровая.
Антенные решетки, создаваемые таким образом, можно определить как многоканальные антенные решетки. Они позволяют использовать в полной мере спектральную обработку как пространственную, так и временную. Временная обработка в цифровом виде дает возможность в полной мере выделить сигнал из шума, используя методику частотного преобразования Фурье. Пространственная обработка дает возможность выделить сигнал из выборки данных по пространству и создать диаграмму направленности с направления прихода сигнала. Однако наряду с методикой преобразования Фурье как пространственной, так и временной, многоканальные антенные системы позволяют использовать новые методы обработки сигналов. Это относится к методам сверх разрешения типа «Прони», «Предсказаний», «Писаренко», «Music» [9], [36], [69], которые позволяет в принципе увеличить реальную разрешающую способность. Условием применения является достаточное отношение сигнал/шум. В полной мере это относится к теории оптимального приема [2], известной также, как статистическая теория радиотехнических систем [п. Использование этой теории при обработке сигналов многоканальных антенных систем позволяет проводить не только фазирование антенной системы с направления прихода сигнала, но и за счет изменения амплитуд на вибраторах выделять лучевую структуру внутри главного лепестка антенной системы [7], [21], [40]. Несомненным достоинством этой теории является возможность оценки дисперсии параметров сигнала, в том числе таких, как азимут и угол места. В результате появляется возможность оценки эффективности антенных систем на основании дисперсий азимута и угла места. Следует отметить, что до настоящего времени анализа антенных систем с точки зрения теории оптимального приема не проведено. Важным вопросом является совмещение пространственной и временной информации, т.е. создание пространственно-временных фильтров или трехмерной пространственно-временной диаграммы направленности [44]. Такого рода
6
диаграмма направленности оптимальным образом настраивается на динамическое интерференционное распределение напряженности поля на поверхности Земли [76]. Важным вопросом развития антенных систем является создание элементов теории трехмерных антенных решеток и методов обработки информации в них. Для ионосферных сигналов это крайне важно в связи с тем, что элементарные вибраторы в этом случае располагаются на поверхности Земли. Это приводит к искажению диаграммы направленности земной поверхностью. В результате лучевая структура под малыми углами к горизонту выявляется с большими погрешностями [63]. Возникает проблема малых углов, хорошо известная в области пеленгации ионосферных сигналов.
Для пеленгации ионосферных сигналов часто используют круговую антенную решетку. Это связано со стремлением уменьшить количество вибраторов антенной решетки и исключить многозначность решения. Возникает многозначность, как правило, в антенных решетках с равномерным расстоянием между вибраторами по координатам при несоблюдении условия теоремы Котельникова: на длине волны должно быть не менее двух отсчетов. В круговой антенной решетке линейное расстояние между вибраторами различное. Аналогичная ситуация с антенными решетками типа «Угол», «Крест». Элементарные вибраторы в таких системах располагаются по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Однако степень эффективности этих антенных решеток по сравнению с квадратными антенными решетками до настоящего времени не установлена. Использование методов теории оптимального приема в обработке сигналов, полученных на неэквидистантных антенных решетках тина «Угол» и «Круг» сложно в связи с неравномерностью пространственного шага. На этих антенных системах удается решить задачу углового спектрального анализа лишь для двух лучей [6], [17]. Эквидистантные антенные решетки позволяют решить подобную спектральную задачу в более полной постановке. В принципе можно ставить вопрос о создании антенных решеток, оптимальных по конфигурации и размерам, для приема сигналов с заданными параметрами и с заданными условиями приема.
7
Одним из основных вопросов развития антенных решеток является разработка алгоритмов обработки, в которых учитывались бы априорная информация об условиях распространения сигналов и специфике передачи сигнала. Это позволит оптимизировать обработку сигналов на основе априорной плотности распределения.
Таким образом, целыо настоящей диссертационной работы является развитие методов обработки информации, полученной с помощью
многоканальных антенных систем на основе положений теории оптимального приема. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи.
1. Разработка основных представлений касающихся пространственно-временной обработки сигнала на основе положений теории оптимального приема.
2. Разработка метода максимального правдоподобия в приложении к многоканальным антенным системам с оценкой параметров сигнала и их дисперсий.
3. Разработка метода максимального правдоподобия для анализа
пространственно-временной информации.
4. Разработка метода максимального правдоподобия для анализа
информации, получаемой на трехмерной антенной решетке.
5. Проведение модельного эксперимента для оценки возможностей
обработки пространственно-временной информации.
6. Обработка экспериментальных данных, полученных на плоских многоканальных антенных решетках.
8
II. Глава 1 Обзор методов обработки сигналов антенных решеток. Основные положения, определения,
представления
1.1. Антенные решетки. Описание, применение, методы анализа
За последние несколько десятилетий развитие антенные решеток шло достаточно бурно. Это обусловлено развитием в этот же период времени вычислительных средств и ЭВМ [81]. Но вместе с тем, развитие алгоритмов обработки сигналов проходило более медленно, т.к. требуется длительные практические испытания новых алгоритмов и антенных комплексов в реальных условиях [108].
Под антенной понимается устройство для излучения и приема радиоволн. Антенные решетки - это совокупность одинаковых элементарных вибраторов в определенном геометрическом расположении. Они появились сравнительно недавно, около 30-40 лет назад и были аналоговыми. По расположению элементов различают линейные, поверхностные (круговые и прямоугольные решетки) и объемные [5], [12], [14], [15]. Последние содержат несколько плоскостей излучателей (цилиндр, конус, куб). Пока этот тип антенных систем только разрабатывается и имеет большие перспективы.
Принцип работы антенной решетки состоит в том, что происходит электрическое изменение диаграммы направленности антенны в сторону прихода сигнала с помощью фазирования (в аналоговых системах с помощью фазовращателей). Такой подход позволяет создавать быстродействующие системы для радиолокации, сканирования атмосферных слоев, передачи информации [90], [106]. В отличие от механического изменения расположения элементов (поворота, изменения шага решетки), электрическая перестройка диаграммы имеет высокое быстродействие и точность. При использовании на подвижных платформах (в авиации, на кораблях) существуют различные
9
алгоритмы компенсации положения сканирующей плоскости, что делает применение антенных решеток повсеместным в сфере радиолокации [103]. Все перечисленные достоинства антенных решеток расширяют возможности исследования ионосферы Земли. Есть возможность точнее установить азимутальные параметры передающих станций и дальность. Становится возможным изучение многолучевой картины распространения отраженных от ионосферы сигналов. Повышается точность определения параметров сигнала: амплитуды, фазы, частоты, соответственно снижаются погрешности [103]. Логическим развитием фазированных антенных решеток было использование в них усилителей, генераторов, преобразователей или умножителей частот [6], [12], [57]. Такие системы получили название активных фазированных антенных решеток (АФАР). Их основными преимуществами являются: увеличение излучаемой мощности, уменьшение потерь, упрощение системы распределения мощности, улучшение массогабаритных характеристик, повышение эффективности обработки сигналов, адаптации, поляризационной обработки. Усложняется конструирование и производство таких систем [32], [47], [56]. В несколько раз по сравнению с ФАР возрастает стоимость. Однако использование АФАР в последние годы все увеличивается, улучшаются основные характеристики приема, что подчеркивает перспективность этих систем. Активное использование ЭВМ в АФАР позволяет говорить о создании нового класса антенных систем ЦИФАР (цифровая интеллектуальная фазированная антенная решетка) [6], [54].
Отдельным видом антенных систем выступают адаптивные антенные решетки (ААР). Указанные антенны используются в основном в приемном режиме и осуществляют автоматическое подавление помех, которые создаются шумами с неизвестных азимутов. Подавление помех обеспечивается с помощью формирования нулей диаграммы направленности с требуемых направлений [60], [61]. Сигналы, принятые каждым элементарным вибратором, умножаются на соответствующие весовые коэффициенты, которые формируются усилителями, и затем складываются. Весовые коэффициенты вырабатываются
10
схемой в зависимости от выбранного критерия оптимальности. В качестве критериев можно использовать: минимум среднеквадратической ошибки принятого сигнала по сравнению с некоторой статистикой наблюдений; максимум отношения сигнал/шум, где под шумом понимаются внутренние шумы и внешние помехи и шумы; максимум функции правдоподобия [29], [109]. Весовые коэффициенты являются комплексными числами. Для практической реализации такой обработки используют разделение сигналов, принятых антенными вибраторами, на две составляющие и вводят для одной из них фазовую задержку на 90’. Происходит разделение сигнала на синфазную и квадратурную составляющие [34], [105]. После этого каждая из составляющих умножается на требуемый весовой коэффициент, который может быть положительным или отрицательным. При умножении на отрицательный весовой коэффициент необходимо изменить фазу на 180° [5].
Рассмотрим возможность использования адаптивных антенных решеток для задач углового разрешения источников [16], [73]. Задача успешно решается, если входное отношение сигнал/шум достаточно велико 20-30 дБ. В тоже время, применение адаптивных методов для задач локализации требует априорного знания геометрии антенной решетки и амплитудно-фазовых соотношений в приемных элементах. Фактически же благодаря различным причинам, например, деформации антенной решетки или искажения вносимые каналом распространения), амплитудно-фазовые характеристики приемных элементов могут существенно отличаться ог номинальных параметров [22], [75]. Более того, эти параметры могут быть флуктуирующими во времени, если параметры среды распространения непостоянны, к примеру, слои в ионосфере [11], [23]. Влияние статических ошибок на характеристики адаптивных методов пространственного разрешения является актуальным вопросом и изучается во многих работах [21], [24], [50]. Для успешного применения адаптивных антенных решеток важна их потенциальная разрешающая способность при наличии быстрых по сравнению со временем адаптации амплитудных и фазовых флуктуаций [53], [64]. Обычно полагают, что эти
II
флуктуации являются стационарными и независимыми от элемента к элементу, с одинаковым статистическим распределением [66]. Результаты, показываемые ААР, могут превосходить простые антенные решетки. Но в то же время они тяготеют к использованию априорной информации о параметрах сигнала. Поэтому для случаев приема сигналов с неизвестными заранее параметрами использование адаптивных систем нецелесообразно или требует накопления статистики приема [49].
Рассмотрим подробнее фазовый способ электрического сканирования, на основе которого были созданы фазированные антенные решетки (ФАР). Под сканированием будем понимать процесс перемещения основного лепестка диаграммы направленности (ДН) в пространстве. Для фазирования необходимо изменить фазы колебаний, подводимых к отдельным излучающим элементам таким образом, чтобы обеспечить синфазное сложение полей отдельных излучателей в требуемом направлении. Так происходит формирование главного максимума диаграммы направленности. При работе фазированной антенной решетки появляются вторичные главные максимумы [55]. Это неблагоприятно сказывается на приеме, т.к. могут образовываться мнимые цели. Условием
отсутствия вторичных главных максимумов диаграммы направленности
является условие
</<—£— (1.1.1)
0+*и1Дюх)
где Д1Ш - максимальный угол места, А - шаг антенной решетки, к - длина волны. Приближенно, если считать предельный угол места Р = 90°, то одним из условий успешной работы антенной решетки является требование
</<- (1.1.2)
2
Важен вопрос уменьшения взаимного влияния вибраторов [19].
Антенные решетки обладают широкополосностью. Диапазон частот может отличаться от 10% от средней частоты до 400% и даже более. Поэтому нормальная работа на граничных областях диапазона достигается с некоторыми
12
погрешностями, не превышающими заданную величину. Условие (1.1.2) должно выполняться на всем диапазоне. В отличие от механического и электромеханического способов сканирования, антенная система остается полностью неподвижной в пространстве. В радиолокационных системах преимущества электрического сканирования заключаются в возможности непрерывной многофункциональной работы: поиска, захвата и сопровождения многих целей при одновременном обзоре пространства в широком секторе углов [5], [109]. Такие антенные системы позволяют достигать больших коэффициентов направленного действия по сравнению с обычными и параболическими антеннами. Очень важна возможность электрической стабилизации при работе с подвижных платформ. Многоэлементная конструкция дает возможность объединить мощности всех передатчиков в один сигнал, что увеличивает мощность передатчика. Недостатком антенных решеток является их сложность, высокая стоимость и большие затраты на эксплуатацию [67], [68].
В радиолокации фазированные антенные решетки могут использоваться как антенные поля, так и в качестве приемопередающего блока передатчиков на антеннах [25]. По своим размерам и рабочим диапазонам частот данные антенные системы серьезно отличаются. Для сравнения антенное поле имеет размер сотен метров, и бортовые антенные системы самолетов измеряются десятками сантиметров. Применяемые частоты колеблются от мегагерц до десятков гигагерц. Первоначально антенные решетки появились в военной сфере. Первой РЛС с фазированной антенной решеткой была станция АЫ/ТР8-25 (США), работающая в диапазоне волн 5,2-10,9 ГГц. Она и в наши дни эксплуатируется на военных и гражданских аэродромах для управления заходом летательных аппаратов на посадку. Антенна этой РЛС состоит из отражателя большого диаметра, обеспечивающего необходимый коэффициент усиления, и облучателя в виде ФАР, в состав которой входят 824 ферритовых фазовращателя. Сейчас выпускается модернизированный вариант этой станции, получивший обозначение СРМ-22. В разных странах мира около 60 станций
13
такого типа используются для управления движением военных и гражданских самолетов. Первой РЛС, в антенной решетке которой установлены твердотельные приемопередающие элементы, была станция PAVE PAWS, работающая в УВЧ-диапазоне. ФАР этой РЛС имеет два раскрыва по 1792 ириемопередающих модуля с выходной мощностью 330 Вт. Каждый модуль питает дипольный излучающий элемент. Вместе с резервными неизлучающими диполями общее число элементов в одном раскрыве ФАР составляет около 5300, а ее внешний диаметр достигает почти 31 м. В последнее десятилетие ФАР получили широкое распространение во многих странах мира. Например, в Швеции разработана и принята на вооружение РЛС обнаружения огневых позиций противника ARTHUR, оборудованная ФАР. Станция с передатчиком на ЛБВ работает в С-диапазоне волн (3,9-6,2 ГГц). На вооружении ВВС Швеции состоит самолетная радиолокационная система дальнего обнаружения Erieye S-диапазона волн (1,55-5,2 ГГц), оснащенная твердотельной ФАР, которая размещена по обе стороны надфюзеляжного киля и включает в себя около 200 приемопередающих модулей. Самолетная радиолокационная система дальнего обнаружения, установленная на истребителе Phalcon израильского производства, содержит четыре твердотельных ФАР. Две из них размещены на крыльях самолета и две - иод фюзеляжем в носовой и хвостовой частях. Каждая ФАР включает в себя около 700 приемопередающих модулей. РЛС работает в диапазоне 0,39-1,55 ГГц. Твердотельной активной ФАР оборудован разработанный в Израиле радиолокатор системы обнаружения ракетных установок. Его дальность составляет несколько сотен километров. Среди последних разработок в этой области, ведущихся в странах ЕС, -многофункциональная РЛС с ФАР, предназначенная для установки на корабле. РЛС на передатчике с ЛБВ работает в С-диапазоне волн. Дальность обнаружения целей достигает 180 км. Антенная решетка вращается по азимуту со скоростью 60 об/мин. В угломестной плоскости производится фазовое управление лучом. В создании этой РЛС принимают участие фирмы Alenia (Италия) и Marconi (Великобритания). Специалистами фирмы Thomson-CSF
14
разработана корабельная РЛС обнаружения воздушных целей АгаЬе1 с дальностью действия около 70 км. ФАР станции вращается по азимуту со скоростью 60 об/мин [74], [80], [84].
Кроме применения в военных целях, антенные решетки получили распространение в исследованиях атмосферы, в частности ионосферных слоев [46], [60]. В работах Калининградского Университета исследуется лучевая и доплеровская структура отраженных от ионосферы сигналов. В качестве приемных и передающих систем выступают антенные решетки. Для обработки сигналов разрабатываются специальные алгоритмы. Для исследований можно применять как круговые, так и квадратные антенные решетки.
Рис 1.1.1. Вилм антенных решеток
У каждого типа есть свои достоинства. В частности круговая антенная решетка используется давно, и позволяет сразу определять азимут прихода луча, для чего используются полярные координаты. Изначально обработка производилась аналоговыми методами с использованием фазовращателей. В последние годы происходит переход на цифровые методы обработки, которые позволяют улучшить обработку сигнала и уменьшить ошибки [94]. Прямоугольная антенная решетка удобна использованием системы декартовых координат. Есть возможность упростить алгоритмы обработки для однолучевой модели приема и также для двухлучевой и четырехлучевой моделей. Наряду с квадратной антенной системой используется антенная решетка типа крест Миллса. Представляет собой две взаимно перпендикулярные линейные
- Киев+380960830922